Ο μετασχηματισμός τους για ένα μέλλον κυριαρχούμενο από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας τις δεκαετίες του 2020 και 2030 δεν θα είναι εύκολος — Αλλά δεν είναι και αδύνατος και η ανταμοιβή για αυτή την προσπάθεια θα είναι ένα πιο καθαρό, πιο ανθεκτικό και ενεργειακά βιώσιμο μέλλον
Ο Phil Hewitt, διευθυντής του Montel Analytics, αναλύει τις αυξανόμενες δυσκολίες στη διατήρηση της ευστάθειας των ηλεκτρικών δικτύων, την ώρα που ενισχύεται η διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, αντλώντας πολύτιμα διδάγματα από το πρόσφατο μπλακ άουτ στην Ιβηρική.
Τα σύγχρονα ενεργειακά συστήματα και αγορές παρουσιάζουν υψηλότερο βαθμό συνθετότητας από ποτέ, καθώς καλούνται να ισορροπήσουν τρεις θεμελιώδεις προτεραιότητες: την οικονομία, την πολιτική και τη φυσική.
Πρώτον, το ρεύμα πρέπει να παραμένει οικονομικά προσιτό και βιώσιμο για τους καταναλωτές, γεγονός που αφήνει στον ανταγωνισμό μόνο τις φθηνότερες τεχνολογίες παραγωγής.
Δεύτερον, οι κυβερνήσεις πιέζονται να διατηρούν σταθερές τιμές και ταυτόχρονα να προχωρούν στον ταχύ εκσυγχρονισμό και απανθρακοποίηση των συστημάτων.
Τρίτον – και κυριότερο – το δίκτυο οφείλει να υπακούει απαρέγκλιτα στους αμετάβλητους φυσικούς νόμους του εναλλασσόμενου ρεύματος.
Η σημασία της συχνότητας
Όλα τα εθνικά δίκτυα λειτουργούν με εναλλασσόμενο ρεύμα (AC).
Στην Ευρώπη, για παράδειγμα, η εναλλαγή κατεύθυνσης του ρεύματος συμβαίνει 50 φορές το δευτερόλεπτο (50Hz). Οι διαχειριστές των δικτύων παρακολουθούν στενά αυτή τη συχνότητα: αν πέσει, σημαίνει ότι η ζήτηση υπερβαίνει την προσφορά· αν ανέβει, η παραγωγή είναι υπερβολική.
Για τη διατήρηση της ευστάθειας, στηρίζονται σε μονάδες που μπορούν να αυξομειώσουν την παραγωγή σε κλάσματα του δευτερολέπτου.
Στο παρελθόν, τα δίκτυα βασίζονταν σε μεγάλους σταθμούς παραγωγής που έκαιγαν άνθρακα, πετρέλαιο ή φυσικό αέριο, ή λειτουργούσαν με πυρηνική σχάση.
Αν ένα εργοστάσιο παρουσίαζε βλάβη, η αδράνεια από τους στροβίλους με μεγάλη μάζα παρείχε κρίσιμο χρόνο για διορθωτικές παρεμβάσεις.
Όταν όμως η αδράνεια είναι χαμηλή, το δίκτυο αντιδρά πολύ πιο απότομα σε ξαφνικές διακυμάνσεις παραγωγής ή κατανάλωσης, ενώ η σταθερότητα απειλείται.
Η πρόκληση των ΑΠΕ και η ανάγκη για «συνθετική αδράνεια»
Σήμερα, όλο και μεγαλύτερο ποσοστό ηλεκτρικής ενέργειας προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές – κυρίως αιολικά και φωτοβολταϊκά.
Όμως αυτές δεν προσφέρουν φυσική αδράνεια, καθώς δεν διαθέτουν περιστρεφόμενα μέρη συγχρονισμένα με το δίκτυο, όπως οι θερμικοί σταθμοί.
Αντίθετα, βασίζονται σε μετατροπείς ισχύος (inverters) που δεν «αισθάνονται» τη συχνότητα του δικτύου με τον ίδιο τρόπο.
Γι’ αυτό, καθώς οι ΑΠΕ αυξάνονται, οι διαχειριστές καλούνται να αναζητήσουν νέες λύσεις για την παροχή αδράνειας: από συγχρονισμένους πυκνωτές (synchronous condensers), που λειτουργούν ως βαριά περιστρεφόμενα μηχανήματα, μέχρι προηγμένα ηλεκτρονικά ισχύος που προσφέρουν συνθετική αδράνεια, δηλαδή δυνατότητα ταχείας αντίδρασης παρόμοια με αυτή των παραδοσιακών γεννητριών.
Τα παραδείγματα των μπλακ άουτ, όπως αυτό της Ιβηρικής, υπογραμμίζουν πόσο απαραίτητο είναι ένα νέο πλαίσιο σχεδιασμού και λειτουργίας για τα δίκτυα του 21ου αιώνα: όχι μόνο βιώσιμα, αλλά και ευσταθή, ευέλικτα και τεχνικά αξιόπιστα.
Η αυξανόμενη διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας φέρνει νέα τεχνικά εμπόδια στη λειτουργία των ηλεκτρικών δικτύων, καθώς η παραγόμενη ενέργεια συνδέεται μέσω ηλεκτρονικών ισχύος, όπως οι μετατροπείς (inverters), που μετατρέπουν το συνεχές ρεύμα (DC) των φωτοβολταϊκών ή των μπαταριών σε εναλλασσόμενο (AC) συμβατό με το δίκτυο.
Οι περισσότεροι σύγχρονοι inverters είναι τύπου «grid-following», δηλαδή απαιτούν μια σταθερή συχνότητα δικτύου για να λειτουργούν σωστά. Αντίθετα από τις παραδοσιακές γεννήτριες, δεν συμβάλλουν στη σταθεροποίηση της συχνότητας, αλλά την «ακολουθούν».
Πολλές ΑΠΕ είναι συνδεδεμένες σε επίπεδο διανομής, δηλαδή κοντά στους καταναλωτές, κάτι που δημιουργεί επιπλέον κινδύνους ασφαλείας.
Αν, για παράδειγμα, ένα υπόγειο καλώδιο υποστεί ζημιά κατά τη διάρκεια τεχνικών εργασιών, αλλά ένας τοπικός inverter συνεχίσει να τροφοδοτεί ρεύμα, το δίκτυο μπορεί να παραμείνει «ζωντανό» και επικίνδυνο.
Για να αποφευχθούν τέτοια περιστατικά, οι μετατροπείς είναι προγραμματισμένοι να ανιχνεύουν ταχείες μεταβολές συχνότητας και να απενεργοποιούνται αυτόματα.
Όμως σε δίκτυα με χαμηλή αδράνεια, οι συχνές και απότομες μεταβολές μπορεί να ενεργοποιήσουν ταυτόχρονα πολλούς inverters, προκαλώντας αλυσιδωτές αποσυνδέσεις που μπορούν να οδηγήσουν ακόμη και σε γενικευμένο μπλακ άουτ.
Σε περιπτώσεις πτώσης συχνότητας, τα αυτόματα συστήματα μπορεί να αποσυνδέσουν υποσταθμούς για να μειώσουν τη ζήτηση και να αποκαταστήσουν την ισορροπία.
Όμως, σε δίκτυα με έντονη κατανεμημένη παραγωγή, η αποσύνδεση υποσταθμών ενδέχεται να διακόψει και σημαντική τοπική παραγωγή, επιδεινώνοντας την αστάθεια αντί να τη διορθώσει.
Το κρίσιμο δίδαγμα: Η αδράνεια είναι θεμέλιο ευστάθειας
Η αδράνεια λειτουργεί ως «μαξιλάρι» χρόνου σε ένα σύστημα με συνεχείς μεταβολές. Χωρίς αυτήν, οι αποκλίσεις γίνονται απότομες και δύσκολα διαχειρίσιμες.
Επομένως, όσο περισσότερες ΑΠΕ ενσωματώνονται, τόσο πιο επιτακτική γίνεται η ανάγκη για νέα μέσα αδρανειακής υποστήριξης – είτε μέσω συγχρονισμένων μηχανών, είτε με συνθετική αδράνεια από εξελιγμένα inverters που λειτουργούν με «grid-forming» λογική, προσφέροντας όχι μόνο παρακολούθηση αλλά και σταθεροποίηση της συχνότητας.
Χωρίς αυτά, το μέλλον των καθαρών αλλά ασφαλών ενεργειακών συστημάτων παραμένει τεχνικά επισφαλές.
Καθώς η μετάβαση στις ανανεώσιμες πηγές επιταχύνεται, η ανάγκη για τεχνητή υποστήριξη της αδράνειας γίνεται ζωτικής σημασίας για τη σταθερότητα των δικτύων. Οι διαχειριστές συστημάτων στρέφονται σε δύο βασικές λύσεις: συγχρονισμένους πυκνωτές και μετατροπείς τύπου «grid-forming».
Οι συγχρονισμένοι πυκνωτές (synchronous condensers) είναι μεγάλες περιστρεφόμενες μηχανές, παρόμοιες με κινητήρες ή γεννήτριες, που δεν παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, αλλά προσφέρουν αδράνεια στο σύστημα. Αν και δεν είναι νέα τεχνολογία, ο ρόλος τους γίνεται πλέον κρίσιμος σε δίκτυα με χαμηλή φυσική αδράνεια.
«Grid-forming» μετατροπείς: Η νέα γενιά σταθεροποίησης
Μια πιο εξελιγμένη — αλλά λιγότερο ώριμη και ακριβότερη — λύση είναι οι grid-forming inverters. Αυτοί οι μετατροπείς δεν παρακολουθούν απλώς τη συχνότητα του δικτύου, αλλά δημιουργούν οι ίδιοι σταθερή συχνότητα και τάση, μιμούμενοι τη λειτουργία συμβατικών γεννητριών.
Θεωρούνται το μέλλον για δίκτυα υψηλής διείσδυσης ΑΠΕ, αλλά η ευρεία εφαρμογή τους παραμένει τεχνικά και οικονομικά πρόκληση.
Πώς υπολογίζεται ο κίνδυνος: Ο δείκτης SNSP
Μια πρακτική μέθοδος αξιολόγησης της σταθερότητας είναι ο δείκτης System Non-Synchronous Penetration (SNSP), που χρησιμοποιείται στην Ιρλανδία. Ο δείκτης υπολογίζεται ως το ποσοστό της μη συγχρονισμένης παραγωγής (π.χ. από ΑΠΕ και inverters) επί της συνολικής ζήτησης του συστήματος.
Η κλίμακα κινδύνου του SNSP είναι:
-Χαμηλός κίνδυνος: κάτω από 50% – κυριαρχεί η συμβατική παραγωγή
-Μέτριος κίνδυνος: 50–75% – απαιτείται χρήση συνθετικής αδράνειας και ταχέων εφεδρειών
-Υψηλός κίνδυνος: άνω του 75% – αυξημένη πιθανότητα αστάθειας ή μπλακ άουτ αν δεν υπάρχει επαρκής αντιστάθμιση
Η σημασία των διασυνδέσεων και τα «νησιωτικά» δίκτυα
Η διασύνδεση μεταξύ εθνικών δικτύων είναι κρίσιμη για τη μοιρασιά αδράνειας. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι:
-Διασύνδεση AC (εναλλασσόμενου ρεύματος): επιτρέπει φυσική ροή αδράνειας μεταξύ χωρών.
-Διασύνδεση HVDC (υψηλής τάσης συνεχούς ρεύματος): απαιτεί μετατροπείς σε κάθε άκρο και δεν μεταφέρει αδράνεια, αν και χρησιμοποιείται συχνά σε υποθαλάσσιες συνδέσεις.
Τα μεγαλύτερα προβλήματα τα αντιμετωπίζουν τα «νησιωτικά» δίκτυα, όπως της Βρετανίας και της Ιρλανδίας, τα οποία συνδέονται με την υπόλοιπη Ευρώπη μόνο μέσω HVDC γραμμών — χωρίς κοινή αδράνεια.
Αυτό αυξάνει την ανάγκη για εσωτερικές λύσεις σταθερότητας, όπως συνθετική αδράνεια ή αποθήκευση ενέργειας.
Επιπλέον, υπάρχουν τα λεγόμενα «lollipop» δίκτυα (δικτύα-μονόδρομοι), όπως η Ιβηρική Χερσόνησος, η Δυτική Δανία και οι Βαλτικές χώρες.
Αυτά έχουν περιορισμένη σύνδεση AC μόνο με μία χώρα και δεν μπορούν να στηριχθούν σε ευρύτερο δίκτυο για ενίσχυση.
Αντίθετα, χώρες όπως η Γερμανία, η Γαλλία και η Ολλανδία έχουν πολλαπλές AC συνδέσεις με γειτονικά κράτη, γεγονός που τους επιτρέπει να ενσωματώνουν μεγάλο ποσοστό ΑΠΕ με υψηλή σταθερότητα.
Η ενεργειακή μετάβαση δεν είναι μόνο θέμα παραγωγής «καθαρής» ενέργειας, αλλά και τεχνικής ευστάθειας. Η αδράνεια – είτε φυσική είτε συνθετική – είναι το θεμέλιο για να μη γίνει το πράσινο δίκτυο ένα εύθραυστο δίκτυο.
Καθώς αυξάνεται η παραγωγή από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, αυξάνεται αντίστοιχα και ο δείκτης SNSP (System Non-Synchronous Penetration) — και μαζί του ο κίνδυνος αστάθειας στο ηλεκτρικό δίκτυο.
Σε περιπτώσεις υψηλού SNSP, οι διαχειριστές συστημάτων ορισμένων χωρών καταφεύγουν είτε σε προσωρινό περιορισμό της παραγωγής από ΑΠΕ είτε στη ρύθμιση των ροών μέσω διασυνδέσεων υψηλής τάσης (HVDC), ώστε να διασφαλιστεί ότι παραμένει σε λειτουργία επαρκής αριθμός παραδοσιακών μονάδων με φυσική αδράνεια.
Στην Ιρλανδία, ο διαχειριστής του συστήματος φροντίζει να διατηρεί τον δείκτη SNSP κάτω από το 70%, παρά το γεγονός ότι το επίσημο όριο βρίσκεται στο 75%.
Αυτό επιτυγχάνεται μέσα από έναν συνδυασμό τεχνολογικών και διαχειριστικών μέτρων: την αξιοποίηση ευέλικτης ζήτησης, την ένταξη μπαταριών ταχείας απόκρισης και την εγκατάσταση νέων συγχρονισμένων πυκνωτών, στο πλαίσιο του προγράμματος DS3 (Delivering a Secure, Sustainable Electricity System).
Η εμπειρία της Ιρλανδίας αποτελεί παράδειγμα πρόληψης της αστάθειας, ενισχύοντας τη δυνατότητα διαχείρισης ενός συστήματος με αυξημένη διείσδυση ΑΠΕ.
Στην Ιβηρική Χερσόνησο, παρότι δεν πρόκειται για νησιωτικό σύστημα, οι δυνατότητες εναρμονισμένης λειτουργίας με την υπόλοιπη ηπειρωτική Ευρώπη είναι περιορισμένες, εξαιτίας των περιορισμένων AC διασυνδέσεων.
Στην πρόσφατη διακοπή ρεύματος στην Ισπανία, η αποσύνδεση της σύνδεσης με τη Γαλλία είχε ως αποτέλεσμα μια απότομη αύξηση του δείκτη SNSP, γεγονός που πιθανόν συνέβαλε στην κατάρρευση του συστήματος.
Προ της διακοπής, ο δείκτης SNSP στην Ιβηρική άγγιζε το 70%, αντίστοιχο με αυτόν της Ιρλανδίας. Μετά την κρίση, οι διαχειριστές προχώρησαν σε μείωση των επιπέδων, μέσω περιορισμών στην παραγωγή ΑΠΕ, ώστε να ενισχυθεί η σταθερότητα.
Στο Ηνωμένο Βασίλειο, το σύστημα επιτυγχάνει να υπερβαίνει το όριο του 70% SNSP χωρίς να κινδυνεύει με blackout. Αυτό γίνεται εφικτό χάρη στην εκτεταμένη χρήση συγχρονισμένων πυκνωτών και υπερταχειών μπαταριών, που παρέχουν τον αναγκαίο βαθμό αδράνειας και σταθερότητας.
Το δίκτυο λειτουργεί σε κατώφλι που ταιριάζει με το υψηλό ποσοστό παραγωγής από μη συγχρονισμένες πηγές, υποστηρίζοντας την απρόσκοπτη ηλεκτροδότηση ακόμη και σε περιόδους αυξημένης ανανεώσιμης παραγωγής.
Η Δανία, τέλος, είναι χωρισμένη σε δύο ζώνες: η δυτική (DK1) συνδέεται με τη Γερμανία και η ανατολική (DK2) με τη Σουηδία, καθεμία μέσω μίας μόνο διασύνδεσης. Λόγω αυτών των περιορισμένων δυνατοτήτων αλληλεπίδρασης με το ηπειρωτικό ευρωπαϊκό δίκτυο, η Δανία υπήρξε από τις πρώτες χώρες που επένδυσαν στην ανάπτυξη και εγκατάσταση συγχρονισμένων πυκνωτών, για να διαχειριστούν τις έντονες διακυμάνσεις από την παραγωγή ΑΠΕ και τις περιόδους βαριάς εισαγωγής ενέργειας.
Το μεγάλο ερώτημα
Το ερώτημα που γεννάται είναι κατά πόσο μπορούν τα δίκτυα να ξεπεράσουν το κρίσιμο όριο του 70%–75% διείσδυσης μη συγχρονισμένης παραγωγής σε συνθήκες περιορισμένης διασύνδεσης.
Η εμπειρία από την Ευρώπη υποδεικνύει ότι αυτό αποτελεί σήμερα το τεχνικό ανώτατο όριο ασφαλούς λειτουργίας. Αυτό, όμως, δεν σημαίνει πως η πρόοδος πρέπει να σταματήσει.
Με κατάλληλη τεχνογνωσία, την υιοθέτηση ευέλικτων αγορών και σημαντικές επενδύσεις σε τεχνολογίες όπως οι grid-forming inverters, οι αποθηκευτικές λύσεις μεγάλης ισχύος και οι σύγχρονες μηχανές αδράνειας, τα δίκτυα μπορούν να ξεπεράσουν τους σημερινούς περιορισμούς και να στηρίξουν ακόμη μεγαλύτερη διείσδυση ΑΠΕ με ασφαλή και αξιόπιστο τρόπο.
Το πρόβλημα αυτό είναι, στην ουσία του, μια μηχανολογική πρόκληση. Υπάρχουν ήδη λύσεις, υπάρχουν ειδικοί με τη γνώση και την εμπειρία, και το ζητούμενο πλέον είναι η ταχεία και μαζική υλοποίησή τους.
Τα δίκτυα που σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν τις δεκαετίες του 1950, 1960 και 1970 αποτελούσαν τεχνικά επιτεύγματα για την εποχή τους.
Ο μετασχηματισμός τους για ένα μέλλον κυριαρχούμενο από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας τις δεκαετίες του 2020 και 2030 δεν θα είναι εύκολος — αλλά δεν είναι και αδύνατος.
Και η ανταμοιβή για αυτή την προσπάθεια θα είναι ένα πιο καθαρό, πιο ανθεκτικό και ενεργειακά βιώσιμο μέλλον.
www.worldenergynews.gr
Τα σύγχρονα ενεργειακά συστήματα και αγορές παρουσιάζουν υψηλότερο βαθμό συνθετότητας από ποτέ, καθώς καλούνται να ισορροπήσουν τρεις θεμελιώδεις προτεραιότητες: την οικονομία, την πολιτική και τη φυσική.
Πρώτον, το ρεύμα πρέπει να παραμένει οικονομικά προσιτό και βιώσιμο για τους καταναλωτές, γεγονός που αφήνει στον ανταγωνισμό μόνο τις φθηνότερες τεχνολογίες παραγωγής.
Δεύτερον, οι κυβερνήσεις πιέζονται να διατηρούν σταθερές τιμές και ταυτόχρονα να προχωρούν στον ταχύ εκσυγχρονισμό και απανθρακοποίηση των συστημάτων.
Τρίτον – και κυριότερο – το δίκτυο οφείλει να υπακούει απαρέγκλιτα στους αμετάβλητους φυσικούς νόμους του εναλλασσόμενου ρεύματος.
Η σημασία της συχνότητας
Όλα τα εθνικά δίκτυα λειτουργούν με εναλλασσόμενο ρεύμα (AC).
Στην Ευρώπη, για παράδειγμα, η εναλλαγή κατεύθυνσης του ρεύματος συμβαίνει 50 φορές το δευτερόλεπτο (50Hz). Οι διαχειριστές των δικτύων παρακολουθούν στενά αυτή τη συχνότητα: αν πέσει, σημαίνει ότι η ζήτηση υπερβαίνει την προσφορά· αν ανέβει, η παραγωγή είναι υπερβολική.
Για τη διατήρηση της ευστάθειας, στηρίζονται σε μονάδες που μπορούν να αυξομειώσουν την παραγωγή σε κλάσματα του δευτερολέπτου.
Στο παρελθόν, τα δίκτυα βασίζονταν σε μεγάλους σταθμούς παραγωγής που έκαιγαν άνθρακα, πετρέλαιο ή φυσικό αέριο, ή λειτουργούσαν με πυρηνική σχάση.
Αν ένα εργοστάσιο παρουσίαζε βλάβη, η αδράνεια από τους στροβίλους με μεγάλη μάζα παρείχε κρίσιμο χρόνο για διορθωτικές παρεμβάσεις.
Όταν όμως η αδράνεια είναι χαμηλή, το δίκτυο αντιδρά πολύ πιο απότομα σε ξαφνικές διακυμάνσεις παραγωγής ή κατανάλωσης, ενώ η σταθερότητα απειλείται.
Η πρόκληση των ΑΠΕ και η ανάγκη για «συνθετική αδράνεια»
Σήμερα, όλο και μεγαλύτερο ποσοστό ηλεκτρικής ενέργειας προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές – κυρίως αιολικά και φωτοβολταϊκά.
Όμως αυτές δεν προσφέρουν φυσική αδράνεια, καθώς δεν διαθέτουν περιστρεφόμενα μέρη συγχρονισμένα με το δίκτυο, όπως οι θερμικοί σταθμοί.
Αντίθετα, βασίζονται σε μετατροπείς ισχύος (inverters) που δεν «αισθάνονται» τη συχνότητα του δικτύου με τον ίδιο τρόπο.
Γι’ αυτό, καθώς οι ΑΠΕ αυξάνονται, οι διαχειριστές καλούνται να αναζητήσουν νέες λύσεις για την παροχή αδράνειας: από συγχρονισμένους πυκνωτές (synchronous condensers), που λειτουργούν ως βαριά περιστρεφόμενα μηχανήματα, μέχρι προηγμένα ηλεκτρονικά ισχύος που προσφέρουν συνθετική αδράνεια, δηλαδή δυνατότητα ταχείας αντίδρασης παρόμοια με αυτή των παραδοσιακών γεννητριών.
Τα παραδείγματα των μπλακ άουτ, όπως αυτό της Ιβηρικής, υπογραμμίζουν πόσο απαραίτητο είναι ένα νέο πλαίσιο σχεδιασμού και λειτουργίας για τα δίκτυα του 21ου αιώνα: όχι μόνο βιώσιμα, αλλά και ευσταθή, ευέλικτα και τεχνικά αξιόπιστα.
Η αυξανόμενη διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας φέρνει νέα τεχνικά εμπόδια στη λειτουργία των ηλεκτρικών δικτύων, καθώς η παραγόμενη ενέργεια συνδέεται μέσω ηλεκτρονικών ισχύος, όπως οι μετατροπείς (inverters), που μετατρέπουν το συνεχές ρεύμα (DC) των φωτοβολταϊκών ή των μπαταριών σε εναλλασσόμενο (AC) συμβατό με το δίκτυο.
Οι περισσότεροι σύγχρονοι inverters είναι τύπου «grid-following», δηλαδή απαιτούν μια σταθερή συχνότητα δικτύου για να λειτουργούν σωστά. Αντίθετα από τις παραδοσιακές γεννήτριες, δεν συμβάλλουν στη σταθεροποίηση της συχνότητας, αλλά την «ακολουθούν».
Πολλές ΑΠΕ είναι συνδεδεμένες σε επίπεδο διανομής, δηλαδή κοντά στους καταναλωτές, κάτι που δημιουργεί επιπλέον κινδύνους ασφαλείας.
Αν, για παράδειγμα, ένα υπόγειο καλώδιο υποστεί ζημιά κατά τη διάρκεια τεχνικών εργασιών, αλλά ένας τοπικός inverter συνεχίσει να τροφοδοτεί ρεύμα, το δίκτυο μπορεί να παραμείνει «ζωντανό» και επικίνδυνο.
Για να αποφευχθούν τέτοια περιστατικά, οι μετατροπείς είναι προγραμματισμένοι να ανιχνεύουν ταχείες μεταβολές συχνότητας και να απενεργοποιούνται αυτόματα.
Όμως σε δίκτυα με χαμηλή αδράνεια, οι συχνές και απότομες μεταβολές μπορεί να ενεργοποιήσουν ταυτόχρονα πολλούς inverters, προκαλώντας αλυσιδωτές αποσυνδέσεις που μπορούν να οδηγήσουν ακόμη και σε γενικευμένο μπλακ άουτ.
Σε περιπτώσεις πτώσης συχνότητας, τα αυτόματα συστήματα μπορεί να αποσυνδέσουν υποσταθμούς για να μειώσουν τη ζήτηση και να αποκαταστήσουν την ισορροπία.
Όμως, σε δίκτυα με έντονη κατανεμημένη παραγωγή, η αποσύνδεση υποσταθμών ενδέχεται να διακόψει και σημαντική τοπική παραγωγή, επιδεινώνοντας την αστάθεια αντί να τη διορθώσει.
Το κρίσιμο δίδαγμα: Η αδράνεια είναι θεμέλιο ευστάθειας
Η αδράνεια λειτουργεί ως «μαξιλάρι» χρόνου σε ένα σύστημα με συνεχείς μεταβολές. Χωρίς αυτήν, οι αποκλίσεις γίνονται απότομες και δύσκολα διαχειρίσιμες.
Επομένως, όσο περισσότερες ΑΠΕ ενσωματώνονται, τόσο πιο επιτακτική γίνεται η ανάγκη για νέα μέσα αδρανειακής υποστήριξης – είτε μέσω συγχρονισμένων μηχανών, είτε με συνθετική αδράνεια από εξελιγμένα inverters που λειτουργούν με «grid-forming» λογική, προσφέροντας όχι μόνο παρακολούθηση αλλά και σταθεροποίηση της συχνότητας.
Χωρίς αυτά, το μέλλον των καθαρών αλλά ασφαλών ενεργειακών συστημάτων παραμένει τεχνικά επισφαλές.
Καθώς η μετάβαση στις ανανεώσιμες πηγές επιταχύνεται, η ανάγκη για τεχνητή υποστήριξη της αδράνειας γίνεται ζωτικής σημασίας για τη σταθερότητα των δικτύων. Οι διαχειριστές συστημάτων στρέφονται σε δύο βασικές λύσεις: συγχρονισμένους πυκνωτές και μετατροπείς τύπου «grid-forming».
Οι συγχρονισμένοι πυκνωτές (synchronous condensers) είναι μεγάλες περιστρεφόμενες μηχανές, παρόμοιες με κινητήρες ή γεννήτριες, που δεν παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, αλλά προσφέρουν αδράνεια στο σύστημα. Αν και δεν είναι νέα τεχνολογία, ο ρόλος τους γίνεται πλέον κρίσιμος σε δίκτυα με χαμηλή φυσική αδράνεια.
«Grid-forming» μετατροπείς: Η νέα γενιά σταθεροποίησης
Μια πιο εξελιγμένη — αλλά λιγότερο ώριμη και ακριβότερη — λύση είναι οι grid-forming inverters. Αυτοί οι μετατροπείς δεν παρακολουθούν απλώς τη συχνότητα του δικτύου, αλλά δημιουργούν οι ίδιοι σταθερή συχνότητα και τάση, μιμούμενοι τη λειτουργία συμβατικών γεννητριών.
Θεωρούνται το μέλλον για δίκτυα υψηλής διείσδυσης ΑΠΕ, αλλά η ευρεία εφαρμογή τους παραμένει τεχνικά και οικονομικά πρόκληση.
Πώς υπολογίζεται ο κίνδυνος: Ο δείκτης SNSP
Μια πρακτική μέθοδος αξιολόγησης της σταθερότητας είναι ο δείκτης System Non-Synchronous Penetration (SNSP), που χρησιμοποιείται στην Ιρλανδία. Ο δείκτης υπολογίζεται ως το ποσοστό της μη συγχρονισμένης παραγωγής (π.χ. από ΑΠΕ και inverters) επί της συνολικής ζήτησης του συστήματος.
Η κλίμακα κινδύνου του SNSP είναι:
-Χαμηλός κίνδυνος: κάτω από 50% – κυριαρχεί η συμβατική παραγωγή
-Μέτριος κίνδυνος: 50–75% – απαιτείται χρήση συνθετικής αδράνειας και ταχέων εφεδρειών
-Υψηλός κίνδυνος: άνω του 75% – αυξημένη πιθανότητα αστάθειας ή μπλακ άουτ αν δεν υπάρχει επαρκής αντιστάθμιση
Η σημασία των διασυνδέσεων και τα «νησιωτικά» δίκτυα
Η διασύνδεση μεταξύ εθνικών δικτύων είναι κρίσιμη για τη μοιρασιά αδράνειας. Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι:
-Διασύνδεση AC (εναλλασσόμενου ρεύματος): επιτρέπει φυσική ροή αδράνειας μεταξύ χωρών.
-Διασύνδεση HVDC (υψηλής τάσης συνεχούς ρεύματος): απαιτεί μετατροπείς σε κάθε άκρο και δεν μεταφέρει αδράνεια, αν και χρησιμοποιείται συχνά σε υποθαλάσσιες συνδέσεις.
Τα μεγαλύτερα προβλήματα τα αντιμετωπίζουν τα «νησιωτικά» δίκτυα, όπως της Βρετανίας και της Ιρλανδίας, τα οποία συνδέονται με την υπόλοιπη Ευρώπη μόνο μέσω HVDC γραμμών — χωρίς κοινή αδράνεια.
Αυτό αυξάνει την ανάγκη για εσωτερικές λύσεις σταθερότητας, όπως συνθετική αδράνεια ή αποθήκευση ενέργειας.
Επιπλέον, υπάρχουν τα λεγόμενα «lollipop» δίκτυα (δικτύα-μονόδρομοι), όπως η Ιβηρική Χερσόνησος, η Δυτική Δανία και οι Βαλτικές χώρες.
Αυτά έχουν περιορισμένη σύνδεση AC μόνο με μία χώρα και δεν μπορούν να στηριχθούν σε ευρύτερο δίκτυο για ενίσχυση.
Αντίθετα, χώρες όπως η Γερμανία, η Γαλλία και η Ολλανδία έχουν πολλαπλές AC συνδέσεις με γειτονικά κράτη, γεγονός που τους επιτρέπει να ενσωματώνουν μεγάλο ποσοστό ΑΠΕ με υψηλή σταθερότητα.
Η ενεργειακή μετάβαση δεν είναι μόνο θέμα παραγωγής «καθαρής» ενέργειας, αλλά και τεχνικής ευστάθειας. Η αδράνεια – είτε φυσική είτε συνθετική – είναι το θεμέλιο για να μη γίνει το πράσινο δίκτυο ένα εύθραυστο δίκτυο.
Καθώς αυξάνεται η παραγωγή από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, αυξάνεται αντίστοιχα και ο δείκτης SNSP (System Non-Synchronous Penetration) — και μαζί του ο κίνδυνος αστάθειας στο ηλεκτρικό δίκτυο.
Σε περιπτώσεις υψηλού SNSP, οι διαχειριστές συστημάτων ορισμένων χωρών καταφεύγουν είτε σε προσωρινό περιορισμό της παραγωγής από ΑΠΕ είτε στη ρύθμιση των ροών μέσω διασυνδέσεων υψηλής τάσης (HVDC), ώστε να διασφαλιστεί ότι παραμένει σε λειτουργία επαρκής αριθμός παραδοσιακών μονάδων με φυσική αδράνεια.
Στην Ιρλανδία, ο διαχειριστής του συστήματος φροντίζει να διατηρεί τον δείκτη SNSP κάτω από το 70%, παρά το γεγονός ότι το επίσημο όριο βρίσκεται στο 75%.
Αυτό επιτυγχάνεται μέσα από έναν συνδυασμό τεχνολογικών και διαχειριστικών μέτρων: την αξιοποίηση ευέλικτης ζήτησης, την ένταξη μπαταριών ταχείας απόκρισης και την εγκατάσταση νέων συγχρονισμένων πυκνωτών, στο πλαίσιο του προγράμματος DS3 (Delivering a Secure, Sustainable Electricity System).
Η εμπειρία της Ιρλανδίας αποτελεί παράδειγμα πρόληψης της αστάθειας, ενισχύοντας τη δυνατότητα διαχείρισης ενός συστήματος με αυξημένη διείσδυση ΑΠΕ.
Στην Ιβηρική Χερσόνησο, παρότι δεν πρόκειται για νησιωτικό σύστημα, οι δυνατότητες εναρμονισμένης λειτουργίας με την υπόλοιπη ηπειρωτική Ευρώπη είναι περιορισμένες, εξαιτίας των περιορισμένων AC διασυνδέσεων.
Στην πρόσφατη διακοπή ρεύματος στην Ισπανία, η αποσύνδεση της σύνδεσης με τη Γαλλία είχε ως αποτέλεσμα μια απότομη αύξηση του δείκτη SNSP, γεγονός που πιθανόν συνέβαλε στην κατάρρευση του συστήματος.
Προ της διακοπής, ο δείκτης SNSP στην Ιβηρική άγγιζε το 70%, αντίστοιχο με αυτόν της Ιρλανδίας. Μετά την κρίση, οι διαχειριστές προχώρησαν σε μείωση των επιπέδων, μέσω περιορισμών στην παραγωγή ΑΠΕ, ώστε να ενισχυθεί η σταθερότητα.
Στο Ηνωμένο Βασίλειο, το σύστημα επιτυγχάνει να υπερβαίνει το όριο του 70% SNSP χωρίς να κινδυνεύει με blackout. Αυτό γίνεται εφικτό χάρη στην εκτεταμένη χρήση συγχρονισμένων πυκνωτών και υπερταχειών μπαταριών, που παρέχουν τον αναγκαίο βαθμό αδράνειας και σταθερότητας.
Το δίκτυο λειτουργεί σε κατώφλι που ταιριάζει με το υψηλό ποσοστό παραγωγής από μη συγχρονισμένες πηγές, υποστηρίζοντας την απρόσκοπτη ηλεκτροδότηση ακόμη και σε περιόδους αυξημένης ανανεώσιμης παραγωγής.
Η Δανία, τέλος, είναι χωρισμένη σε δύο ζώνες: η δυτική (DK1) συνδέεται με τη Γερμανία και η ανατολική (DK2) με τη Σουηδία, καθεμία μέσω μίας μόνο διασύνδεσης. Λόγω αυτών των περιορισμένων δυνατοτήτων αλληλεπίδρασης με το ηπειρωτικό ευρωπαϊκό δίκτυο, η Δανία υπήρξε από τις πρώτες χώρες που επένδυσαν στην ανάπτυξη και εγκατάσταση συγχρονισμένων πυκνωτών, για να διαχειριστούν τις έντονες διακυμάνσεις από την παραγωγή ΑΠΕ και τις περιόδους βαριάς εισαγωγής ενέργειας.
Το μεγάλο ερώτημα
Το ερώτημα που γεννάται είναι κατά πόσο μπορούν τα δίκτυα να ξεπεράσουν το κρίσιμο όριο του 70%–75% διείσδυσης μη συγχρονισμένης παραγωγής σε συνθήκες περιορισμένης διασύνδεσης.
Η εμπειρία από την Ευρώπη υποδεικνύει ότι αυτό αποτελεί σήμερα το τεχνικό ανώτατο όριο ασφαλούς λειτουργίας. Αυτό, όμως, δεν σημαίνει πως η πρόοδος πρέπει να σταματήσει.
Με κατάλληλη τεχνογνωσία, την υιοθέτηση ευέλικτων αγορών και σημαντικές επενδύσεις σε τεχνολογίες όπως οι grid-forming inverters, οι αποθηκευτικές λύσεις μεγάλης ισχύος και οι σύγχρονες μηχανές αδράνειας, τα δίκτυα μπορούν να ξεπεράσουν τους σημερινούς περιορισμούς και να στηρίξουν ακόμη μεγαλύτερη διείσδυση ΑΠΕ με ασφαλή και αξιόπιστο τρόπο.
Το πρόβλημα αυτό είναι, στην ουσία του, μια μηχανολογική πρόκληση. Υπάρχουν ήδη λύσεις, υπάρχουν ειδικοί με τη γνώση και την εμπειρία, και το ζητούμενο πλέον είναι η ταχεία και μαζική υλοποίησή τους.
Τα δίκτυα που σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν τις δεκαετίες του 1950, 1960 και 1970 αποτελούσαν τεχνικά επιτεύγματα για την εποχή τους.
Ο μετασχηματισμός τους για ένα μέλλον κυριαρχούμενο από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας τις δεκαετίες του 2020 και 2030 δεν θα είναι εύκολος — αλλά δεν είναι και αδύνατος.
Και η ανταμοιβή για αυτή την προσπάθεια θα είναι ένα πιο καθαρό, πιο ανθεκτικό και ενεργειακά βιώσιμο μέλλον.
www.worldenergynews.gr
ΧΟΡΗΓΟΙ
